利用FPGA软硬件协同系统验证SoC系统的过程和方法

摘要: 设计了一种基于FPGA的验证平台及有效的SoC验证方法，介绍了此FPGA验证软硬件平台及软硬件协同验证架构，讨论和分析了利用FPGA软硬件协同系统验证SoC系统的过程和方法。利用此软硬件协同验证技术方法，验证了SoC系统、DSP指令、硬件IP等。实验证明，此FPGA验证平台能够验证SoC设计，提高了设计效率。

引言
随着集成电路技术的发展以及EDA 设计水平的迅速提高, 基于IP(Intellectual Property) 进行SoC(System on Chip)芯片设计的能力和技术得到了大大的提高。在一些应用中，需要处理的数据量不断增大，并且处理时间也要缩短，数据运算更加复杂，内嵌DSP核处理器的SoC技术能够缩短处理时间并能进行大数据量的处理，提高可靠性,缩小体积，降低功耗。因此本文研究一种基于DSP的SoC芯片的FPGA验证方法，并将整个系统包括DSP处理器、片上总线、ASIC、内存模块、I/O 外围设备及其他IP模块集成到一个芯片中。而在复杂的内嵌DSP核的SoC 芯片的系统设计中, 为了保证SoC芯片设计的正确性, 验证工作变得越来越重要, 也更加复杂。FPGA验证是复杂芯片和SoC芯片设计验证的一种有效手段，可以弥补软件模拟仿真的不足，减少验证时间，检验SoC的设计是否实现了设计规范确定的功能，从而提高SoC芯片流片成功率。

1基于DSP核控制的SoC系统

本文设计的SoC系统采用国内自主研发DSP核，主要包括： DSP处理器核、片上AXI总线、PWM、事件捕获器、看门狗控制、中断控制器、复位管理、存储模块、I/O以及其他外设（UART、CAN、SPI等）模块。这些模块与DSP核之间通过AXI总线连接，进行数据通信。AMBA AXI的总线协议具有高性能、支持高频传输、高速亚微型系统互连的特征，为主从结构，一切触发都由主设备发起。核间通信总线采用SoC系统中应用最多的AXI总线结构，比较灵活，可满足对带宽需求不同的各种IP。

基于DSP的SoC系统结构框图如图1所示。

 

图1 基于DSP的SoC系统结构框图

2 SoC系统的FPGA验证平台

FPGA验证平台用于SoC芯片验证，可以对大规模SoC系统的设计进行快速准确的实时验证，根据不同SoC规模容量，采用不同的FPGA硬件资源，硬件平台建设也有所不同。由于FPGA具有静态可编程和在线动态重构特性，能够使硬件功能电路同软件程序一样方便修改，使得FPGA验证修改十分方便、实时性好，还可以缩短开发周期、降低开发成本。FPGA具有的这些特点使其成为通用的SoC功能验证的器件，为SoC的系统原型验证提供了一个非常合适的平台。目前FPGA已经从系统集成、系统存储、系统时钟和系统接口4个方面满足了SoC芯片验证的要求，为快速系统原型验证提供了一个非常合适的平台。本文的FPGA验证平台采用Xilinx Virtex6 LX760器件，是建立在Xilinx Virtex6 FPGA板上的软硬件联合验证系统，并用ISE13.3进行综合和布局布线。另外，此FPGA硬件验证平台包括支持DSP程序下载的JTAG接口。

2.1FPGA硬件平台搭建
硬件平台搭建主要使用了两个Xilinx Virtex-6 LX760 FPGA器件，具有15.2M个逻辑门。Virtex-6 LX760面向高端应用，具有更多的时钟和存储资源，而且能够支持更快的速度。通过分析,所选择FPAG能够满足此SoC验证使用，为了实现通用性，该FPGA硬件验证平台采用了子板和母板相结合的方式。

在母板上设置有通用的FPGA芯片、相应的PROM、系统全局时钟的选择和配置模块、系统复位逻辑、FPGA芯片下载接口、与子板连接的connector接口等模块。子板根据验证需求，配置了JTAG调试子板，以提供DSP仿真器连接的调试接口。另外还设计配置了验证EMIF访问外部存储设备通路的SRAM存储器子板。为了方便测试和验证EMIF接口功能，在这两类测试子板上，都设有关键信号的测试探测点，以方便测试一些基础的时钟、复位信号以及其他探测信号。

2.2FPGA软件环境搭建
在SoC 设计中，经常会使用一些硬IP 核（如PLL、SRAM、ADC、USB transceiver 等），而在采用FPGA验证技术验证ASIC及SoC设计的过程中，需要做ASIC设计原码的转换，所以首先需要对SoC进行修改，以适合FPGA的开发环境。如门控的处理，添加PLL对所需要的时钟进行适当的分／倍频，存储单元RAM、FIFO的替换，修改子模块配置，特殊单元的处理等。还要根据特定的硬件平台增加FPGA 相关时序Timing的约束和I/O引脚的指定约束，并搭建一个能够自动仿真和验证的环境。在FPGA验证过程中主要使用ISE13.3内置综合工具或专用综合工具对RTL进行编译、综合，生成网表。生成的网表可以生成bit文件，包括优化、适配、bit文件生成等。进行静态时序分析，检查是否满足预定的时钟频率要求，若不能满足，则重新进行综合编译优化。如果多次进行优化仍不能满足时序要求，则根据违反时序信息查找关键路径，对RTL设计代码进行修改优化。